高含硫天然氣凈化裝置再生塔底貧胺液泵泵軸失效分析與試驗(yàn)研究

張 杰，閆 淵，吳 峰

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司 中原油田普光分公司，四川達(dá)州 635000；2.西北大學(xué) 化工學(xué)院，西安 710069）

0 引言

某高含硫天然氣凈化裝置脫硫單元配備有24臺(tái)再生塔底貧胺液泵，泵規(guī)格型號(hào)為12×16×23A-BBTD，為兩級(jí)離心泵，首級(jí)雙吸，泵額定功率為525 kW，出口壓力1 840 kPa。泵結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，該天然氣凈化裝置工藝流體為貧胺液，主要物料組分見(jiàn)表2。

圖1 轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部件

表1 再生塔底貧胺液泵工藝技術(shù)參數(shù)

表2 裝置工藝流體成分分析（貧胺液）

裝置檢修過(guò)程中，頻繁發(fā)現(xiàn)該系列泵存在泵軸鍵槽開(kāi)裂、葉輪腐蝕穿孔等問(wèn)題（見(jiàn)圖2），嚴(yán)重影響設(shè)備復(fù)裝及裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 泵軸失效

1 泵軸失效原因分析

為查明問(wèn)題根源，制定解決方案，避免類(lèi)似事件再次發(fā)生，以該凈化裝置再生塔底貧胺液泵泵軸為研究對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行宏觀及PT檢查，腐蝕坑檢查、低倍檢查、化學(xué)成分分析、非金屬夾雜物評(píng)定、斷口分析［1］，本文主要對(duì)泵軸材質(zhì)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度測(cè)試等力學(xué)性能試驗(yàn)，同步開(kāi)展泵軸鍵槽失效部位應(yīng)力分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果判定泵軸失效原因，具體試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)如下。

1.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)樣品（失效泵軸）進(jìn)行宏觀及PT檢查，檢查部位包括泵軸鍵槽開(kāi)裂部位、典型缺陷部位及便于分析比對(duì)部位，如泵軸點(diǎn)蝕部位（過(guò)流部位）、聯(lián)軸器鍵槽部位（扭矩最大），本節(jié)主要對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)路線：試樣分別采取來(lái)樣狀態(tài)和重新熱處理后狀態(tài)分別試驗(yàn)，比對(duì)其力學(xué)性能，同時(shí)與GB/T1220對(duì)泵軸材質(zhì)（0Cr17Ni7Al）要求進(jìn)行比對(duì)，分析鋼材是否達(dá)標(biāo)。樣品熱處理工藝為（1 070 ℃/1.5 h+水淬）+（760 ℃/1.5 h+風(fēng)冷）+（565 ℃/1.5 h+空冷）。

1.1.1 拉伸試驗(yàn)

為保證拉伸試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，每種形狀的試樣制作2件。靜態(tài)拉伸試驗(yàn)在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)規(guī)格型號(hào)CMT-5105A，試驗(yàn)拉伸速度5 mm/min，拉伸過(guò)程中用機(jī)械式引伸計(jì)對(duì)試件的伸長(zhǎng)量進(jìn)行測(cè)量，直至試件斷裂失效。沿軸的中心及近外表面軸向方向截取拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是來(lái)樣狀態(tài)還是經(jīng)重新熱處理后的試樣，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果均滿足GB/T1220中0Cr17Ni7Al鋼的要求。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.1.2 沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

取樣部位：沿軸的中心部位和近外表面分別截取軸向和徑向沖擊試樣，熱處理樣品為徑向取樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，沖擊試驗(yàn)在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)規(guī)格型號(hào)為CMT-5105A。試驗(yàn)結(jié)果表明：來(lái)樣狀態(tài)的沖擊功軸向取樣大于橫向取樣，說(shuō)明軸的各項(xiàng)異性較明顯，熱處理后試樣沖擊功與來(lái)樣性能相當(dāng)。

1.1.3 硬度測(cè)試

分別對(duì)來(lái)樣狀態(tài)和熱處理狀態(tài)下軸的近外壁邊緣部位、1/2半徑及中心部位進(jìn)行硬度測(cè)試，采用數(shù)字式顯微硬度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)試結(jié)果表明：測(cè)試部位的硬度均能滿足GB/T1220中對(duì)泵軸材質(zhì)（0Cr17Ni7Al）鋼的要求。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 硬度測(cè)試結(jié)果HV（10）

1.2 泵軸鍵槽應(yīng)力計(jì)算

1.2.1 運(yùn)行工況分析

鍵槽開(kāi)裂問(wèn)題存在以下幾種因素：（1）泵在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)扭矩大于正常運(yùn)行時(shí)扭矩值，長(zhǎng)周期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致泵軸材質(zhì)疲勞破壞，同時(shí)鍵槽接觸面應(yīng)力值顯著增大，受工藝流體影響，存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生［2］。（2）鍵槽的加工精度和組裝配合偏差，會(huì)導(dǎo)致鍵槽側(cè)向受力面受力不均，鍵槽側(cè)向邊緣出現(xiàn)軸向擠壓裂紋。（3）與封閉鍵槽相比，開(kāi)放鍵槽受力面的剪切應(yīng)力要大得多，使鍵槽底部實(shí)際受力超過(guò)其斷裂極限，導(dǎo)致裂紋萌生，尤其啟泵階段，產(chǎn)生裂紋起源的危險(xiǎn)更大［3-5］。

1.2.2 泵軸鍵槽應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)泵軸失效大多集中在軸鍵槽位置的現(xiàn)象，對(duì)泵軸鍵槽的受力情況進(jìn)行計(jì)算分析。

泵軸鍵槽應(yīng)力軸所傳遞的扭矩Mn為：

Mn=9 550P/n

式中P——額定軸功率，kW；

n——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

由泵數(shù)據(jù)表查得：P=525 kW，n=1 475 r/min，則Mn=3 399.2 N·m。

鍵槽工作面的擠壓應(yīng)力σp為：

σp=Mn/(HkL)

式中H——鍵槽處觸面中心到軸心距離；

k——鍵與鍵槽接觸面的高度；

L——鍵的工作長(zhǎng)度。

聯(lián)軸器處的鍵槽尺寸如圖3所示，則此處的擠壓應(yīng)力為：

圖3 聯(lián)軸器部位的軸鍵槽尺寸

二級(jí)葉輪處的鍵槽尺寸如圖4所示，因貧胺液泵為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，所以此處鍵槽所傳遞的扭矩為Mn/2，則此處擠壓應(yīng)力為：

圖4 二級(jí)葉輪部位的軸鍵槽尺寸

一級(jí)葉輪處的鍵槽尺寸如圖5所示，因貧胺液泵為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，此處又為雙鍵傳遞，考慮載荷分布不均勻性，雙鍵的連接強(qiáng)度按1.5個(gè)健計(jì)算，所以鍵槽所傳遞的扭矩為Mn/3，則此處擠壓應(yīng)力為：

圖5 一級(jí)葉輪部位的軸鍵槽尺寸

泵軸材質(zhì)為0Cr17Ni7Al鋼，允許擠壓應(yīng)力為960 MPa。結(jié)合上述計(jì)算數(shù)據(jù)，該系列再生塔底貧胺液泵正常運(yùn)行工況下，聯(lián)軸器鍵槽部位承受最大擠壓應(yīng)力，數(shù)值為126.8 MPa；二級(jí)葉輪鍵槽工作面承受的擠壓應(yīng)力數(shù)值為64.58 MPa；一級(jí)葉輪部位的軸鍵槽工作面所承受的擠壓應(yīng)力為36.04 MPa。

鑒于鍵槽工作面所承受的擠壓應(yīng)力是非均勻的，可按三角形分布計(jì)算，綜合考慮泵軸背側(cè)存在擠壓應(yīng)力的影響，泵軸鍵槽工作面的最大擠壓應(yīng)力可達(dá)到以上計(jì)算擠壓應(yīng)力數(shù)值的3～4倍。即便如此，泵軸各鍵槽部位的擠壓應(yīng)力均未超過(guò)泵軸材質(zhì)的許用應(yīng)力960 MPa。

1.3 泵軸失效原因分析

通過(guò)上述力學(xué)性能試驗(yàn)及應(yīng)力計(jì)算可知：

（1）來(lái)樣狀態(tài)和重新熱處理狀態(tài)下，拉伸試驗(yàn)結(jié)果均滿足GB/T1220中對(duì)0Cr17Ni7Al鋼的拉伸性能要求。

（2）來(lái)樣狀態(tài)的沖擊功軸向取樣大于徑向取樣，經(jīng)熱處理后的橫向取樣沖擊功略高于來(lái)樣狀態(tài)。

（3）來(lái)樣狀態(tài)和熱處理狀態(tài)下軸的近外壁邊緣、1/2半徑及中心部位硬度均能滿足GB/T1220中對(duì)0Cr17Ni7A1鋼的拉伸性能要，經(jīng)熱處理后的硬度值均高于來(lái)樣狀態(tài)下的硬度。

（4）該系列泵啟機(jī)及運(yùn)行過(guò)程中，聯(lián)軸器鍵槽工作面的應(yīng)力最大（126.8MPa），但未發(fā)生鍵槽開(kāi)裂，發(fā)生開(kāi)裂的一、二級(jí)葉輪鍵槽部位應(yīng)力值遠(yuǎn)低于聯(lián)軸器鍵槽部位，且均未超過(guò)泵軸材質(zhì)（0Cr17Ni7AL）的許用應(yīng)力（960 MPa）。

（5）失效泵軸僅在過(guò)流區(qū)域泵軸鍵槽存在開(kāi)裂現(xiàn)象，鍵槽裂紋呈貝殼狀的紋路，并有被擠壓的裂痕；裂紋的走向和裂紋與鍵槽工作面所受到的擠壓應(yīng)力相符［6-9］，一、二級(jí)葉輪鍵槽工作面所受擠壓應(yīng)力與裂紋走向如圖6所示。

圖6 葉輪鍵槽部位工作面擠壓應(yīng)力與裂紋走向

（6）失效泵軸心部、1/2半徑和近外壁非金屬夾雜物類(lèi)型主要為AI2O3，CaO和少量MnS類(lèi)，總體鋼質(zhì)較純凈；二級(jí)葉輪鍵槽處裂紋沿與外壁平行的方向呈穿晶擴(kuò)展，基本無(wú)分支，裂紋附近的金相組織正常（馬氏體+鐵素體+Ni3AI顆粒）；斷口表面腐蝕產(chǎn)物主要為S和O元素，局部檢出P，C，Si，Ca，Na，Mg，AI等元素；

綜合以上信息，得出以下結(jié)論：失效泵軸材質(zhì)及性能滿足GB/T1220對(duì)0Cr17Ni7A1鋼的要求，葉輪鍵槽開(kāi)裂機(jī)理為腐蝕疲勞，發(fā)生腐蝕疲勞的2個(gè)關(guān)鍵因素是腐蝕環(huán)境和交變載荷。

2 處理措施

泵軸材質(zhì)由之前的0Gr17Ni7Al升級(jí)為XM-19，泵軸葉輪材質(zhì)由 ASTM A743Gr.CF8M（316）升級(jí)為316 L，材質(zhì)升級(jí)后的泵軸、葉輪于2017年4月在裝置檢修期間投用，經(jīng)過(guò)一個(gè)大修周期（3年），2020年4月裝置檢修期間對(duì)升級(jí)材質(zhì)后泵軸、葉輪進(jìn)行復(fù)查，效果良好，轉(zhuǎn)子部件表面光潔，無(wú)裂紋及點(diǎn)蝕問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某高含硫天然氣凈化裝置再生塔底貧胺液泵泵軸失效問(wèn)題，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)其失效泵軸材質(zhì)及性能滿足GB/T1220對(duì)0Cr17Ni7Al鋼的要求，葉輪鍵槽開(kāi)裂機(jī)理為腐蝕疲勞，發(fā)生腐蝕疲勞的兩個(gè)關(guān)鍵因素是腐蝕環(huán)境和交變載荷。因此，對(duì)于石化行業(yè)使用設(shè)備，在研發(fā)階段就須綜合考慮工藝流體對(duì)材質(zhì)的性能要求，對(duì)于故障頻發(fā)設(shè)備或部件，應(yīng)積極依托具有相關(guān)檢驗(yàn)/檢測(cè)資質(zhì)的科研院所開(kāi)展失效分析，結(jié)合分析報(bào)告制定行之有效的技改方案或整改措施，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備本質(zhì)安全，企業(yè)降本增效、節(jié)能降耗的有利舉措。